介电常数测量的微带短路线法及实现

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)上海交通大学电子工程学院 作者:巩宏博

  阐述了用微带短路线法,通过矢量网络分析仪量测短路微带线的反射系数,进行印刷电路板板材相对介电常数计算的方法。在给定的板材尺寸参数及材料特性下,通过ADS软体中进行的理论分析以及ANSOFT公司HFSS软体中进行的三维建模仿真分析,计算得出了不同频率点对应的相对介电常数值。同时分析了方案的误差对于阻抗设计的影响,进而验证了测量方案的可行性。考虑到板材介质的高频衰减,测量方法适用范围从100MHz~5GHz。

  1950年Barrett R和Cohn S提出的Stripline和1960年ITT Laboratories提出的Microstrip Line奠定了现代PCB工艺和发展的基础,50年时间PCB板的设计已经由最初的单双面板发展到现今的几十层的巨型计算机功能板,从最初的通孔工艺发展到现今的埋盲孔的HDI工艺,工作信号频率从最初的K级发展到现在的G级,可以说传输线理论的具体应用达到了一个相当高的境界。近年来手机、个人移动通信需求的蓬勃发展,寻求更高效能及更高频率的印刷电路板(PCB板)已经成为了一个重要的课题。

  市场上产品竞争的趋势总是要以更加低廉的价格提供给消费者更好的产品,所以许多公司在追逐更高速、更微型的产品的过程中,为了提供自身产品的市场占有率、降低产品的价格,将目光更多的投到了FR4上。FR4是目前印刷电路板工艺中最常选用的介质材料,它不仅价格便宜,而且更加具有良好的加工特性,可以使用在1MHz至1GHz乃至3GHz以上范围的电子产品中。但是有个问题,印刷电路板的介质材料特性会因为制作程序以及制作环境的不同而发生改变。特别的是,电路板的介质材料的特性表现对于高频或是高速电路的特性影响很大,其中以介电常数εr对电路的功能和性能影响最大。介电常数会影响电路的特性阻抗和信号传输的相位速度,但是目前矢量网络分析仪只能测量出印刷电路板的S参数,并不提供一键算出介质介电常数的功能。所以提出一个简便快速的得到介电常数εr的方法对于高速PCB设计人员以及板厂工程人员都具有非常重要的意义。

  该文首先在Agilent ADS软件中通过对短路微带线的理论仿真验证了短路线量测方法的可行性及其在实际量测中的问题;随后在Ansoft的HFSS中进行了50Ω阻抗同轴连接器和10cm长度的50Ω短路微带线的三维模型建立,通过对该三维模型的仿真我们可以更加实际的了解这种方法,讨论这种方法得到的相对介电常数量测误差对于阻抗控制精度的影响。本论文设计的量测环境为1.0mm厚度的FR4基板,铜箔厚度为0.5oz,50Ω同轴连接器及50Ω微带线的参数都可以在Agilent ADS中用Linecal得到。

2、短路微带线理论及其在Agilent ADS中的验证

  传输线模型如图1所示。

传输线模型

图1 传输线模型

结论

  本文从Agilent ADS中对微带线短路发的讨论出发,通过在三维仿真工具Ansoft HFSS中的实际建模和量测说明了本方法的可行性。最后讨论了微带线短路法对于阻抗控制精度的影响。一定要注意,试验中必须要考虑端口连接器对于实际量测的影响,否则结果会出现重大偏差。

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